Les dispositifs de protection contre les surtensions sont utilisés pour les réseaux d'alimentation électrique, les réseaux téléphoniques et les bus de communication et de contrôle automatique.

2.4 Le dispositif de protection contre les surtensions (SPD)

Le dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est un composant du système de protection de l'installation électrique.

Cet appareil est connecté en parallèle sur le circuit d'alimentation des charges qu'il doit protéger (voir Fig. J17). Il peut également être utilisé à tous les niveaux du réseau d'alimentation.

Il s'agit du type de protection contre les surtensions le plus couramment utilisé et le plus efficace.

Principe

Le SPD est conçu pour limiter les surtensions transitoires d'origine atmosphérique et détourner les ondes de courant vers la terre, de manière à limiter l'amplitude de cette surtension à une valeur non dangereuse pour l'installation électrique et l'appareillage électrique et les appareillages de commande.

SPD élimine les surtensions:

• en mode commun, entre phase et neutre ou terre;
• en mode différentiel, entre phase et neutre. En cas de surtension dépassant le seuil de fonctionnement, le SPD
• conduit l'énergie vers la terre, en mode commun;
• distribue l'énergie aux autres conducteurs sous tension, en mode différentiel.

Les trois types de SPD:

• Type 1 SPD

Le parafoudre Type 1 est recommandé dans le cas spécifique des bâtiments tertiaires et industriels, protégés par un système de protection contre la foudre ou une cage grillagée. Il protège les installations électriques contre les coups de foudre directs. Il peut décharger le contre-courant de la foudre qui se propage du conducteur de terre vers les conducteurs du réseau.

Le SPD de type 1 est caractérisé par une onde de courant de 10/350 μs.

• Type 2 SPD

Le parafoudre de type 2 est le principal système de protection pour toutes les installations électriques basse tension. Installé dans chaque tableau électrique, il empêche la propagation des surtensions dans les installations électriques et protège les charges.

Le SPD de type 2 est caractérisé par une onde de courant de 8/20 μs.

• Type 3 SPD

Ces SPD ont une faible capacité de décharge. Ils doivent donc obligatoirement être installés en complément du SPD de type 2 et à proximité de charges sensibles. Le SPD de type 3 est caractérisé par une combinaison d'ondes de tension (1.2 / 50 μs) et d'ondes de courant (8/20 μs).

Définition normative du SPD

2.4.1 Caractéristiques du SPD

La norme internationale CEI 61643-11 Edition 1.0 (03/2011) définit les caractéristiques et les tests des SPD connectés aux réseaux de distribution basse tension (voir Fig. J19).

• Caractéristiques communes

- U_c: Tension de fonctionnement continue maximale

Il s'agit de la tension alternative ou continue au-dessus de laquelle le SPD devient actif. Cette valeur est choisie en fonction de la tension nominale et de la disposition de mise à la terre du système.

- U_p: Niveau de protection de tension (à I_n)

Il s'agit de la tension maximale aux bornes du SPD lorsqu'il est actif. Cette tension est atteinte lorsque le courant circulant dans le SPD est égal à I_n. Le niveau de protection en tension choisi doit être inférieur à la capacité de tenue à la surtension des charges (voir section 3.2). En cas de coup de foudre, la tension aux bornes du SPD reste généralement inférieure à U_p.

- JE_n: Courant nominal de décharge

Il s'agit de la valeur crête d'un courant de forme d'onde 8/20 μs que le SPD est capable de décharger 15 fois.

• Type 1 SPD

- JE_lutin: Impulsion actuellement

Il s'agit de la valeur crête d'un courant de forme d'onde 10/350 μs que le SPD est capable de décharger 5 fois.

- JE_fi: Extinction automatique du courant de suivi

Applicable uniquement à la technologie à éclateur.

C'est le courant (50 Hz) que le SPD est capable d'interrompre de lui-même après un flashover. Ce courant doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé au point d'installation.

• Type 2 SPD

- JE_max: Courant de décharge maximum

Il s'agit de la valeur de crête d'un courant de forme d'onde 8/20 μs que le SPD est capable de décharger une fois.

• Type 3 SPD

- U_oc: Tension en circuit ouvert appliquée pendant les essais de classe III (type 3).

2.4.2 Principales applications

• SPD basse tension

Des dispositifs très différents, tant du point de vue technologique que d'usage, sont désignés par ce terme. Les SPD basse tension sont modulaires pour être facilement installés à l'intérieur des tableaux BT. Il existe également des SPD adaptables aux prises de courant, mais ces appareils ont une faible capacité de décharge.

• SPD pour les réseaux de communication

Ces dispositifs protègent les réseaux téléphoniques, les réseaux commutés et les réseaux de commande automatique (bus) contre les surtensions venant de l'extérieur (foudre) et celles internes au réseau d'alimentation (équipements polluants, fonctionnement des appareillages, etc.)

De tels SPD sont également installés dans des connecteurs RJ11, RJ45,… ou intégrés dans des charges.

3 Conception du système de protection de l'installation électrique

Pour protéger une installation électrique dans un bâtiment, des règles simples s'appliquent pour le choix

• SPD (s);
• c'est un système de protection.

3.1 Règles de conception

Pour un système de distribution d'énergie, les principales caractéristiques utilisées pour définir le système de protection contre la foudre et sélectionner un parafoudre pour protéger une installation électrique dans un bâtiment sont:

• SPD

- la quantité de SPD;

- type;

- niveau d'exposition pour définir le courant de décharge maximal I du SPD_max.

• Le dispositif de protection contre les courts-circuits

- courant de décharge maximal I_max;

- courant de court-circuit I_sc au point d'installation.

Le schéma logique de la Figure J20 ci-dessous illustre cette règle de conception.

Les autres caractéristiques de sélection d'un SPD sont prédéfinies pour une installation électrique.

• nombre de pôles dans SPD;
• niveau de protection de tension U_p;
• tension de service U_c.

Cette sous-section J3 décrit plus en détail les critères de sélection du système de protection en fonction des caractéristiques de l'installation, des équipements à protéger et de l'environnement.

3.2 Éléments du système de protection

Un SPD doit toujours être installé à l'origine de l'installation électrique.

3.2.1 Emplacement et type de SPD

Le type de SPD à installer à l'origine de l'installation dépend de la présence ou non d'un système de protection contre la foudre. Si le bâtiment est équipé d'un système de protection contre la foudre (selon CEI 62305), un SPD de type 1 doit être installé.

Pour le SPD installé à l'entrée de l'installation, les normes d'installation CEI 60364 fixent des valeurs minimales pour les 2 caractéristiques suivantes:

• Courant nominal de décharge I_n = 5 kA (8/20) s ;
• Niveau de protection de tension U_p (à moi_n) <2.5 kV.

Le nombre de SPD supplémentaires à installer est déterminé par:

• la taille du site et la difficulté d'installer des conducteurs de liaison. Sur les grands sites, il est essentiel d'installer un SPD à l'extrémité entrante de chaque boîtier de sous-distribution.
• la distance séparant les charges sensibles à protéger du dispositif de protection d'arrivée. Lorsque les charges sont situées à plus de 30 mètres du dispositif de protection d'arrivée, il est nécessaire de prévoir une protection fine supplémentaire au plus près des charges sensibles. Les phénomènes de réflexion des ondes augmentent à partir de 10 mètres (voir chapitre 6.5)
• le risque d'exposition. Dans le cas d'un site très exposé, le parafoudre d'entrée ne peut assurer à la fois un flux élevé de courant de foudre et un niveau de protection en tension suffisamment bas. En particulier, un SPD de type 1 est généralement accompagné d'un parafoudre de type 2.

Le tableau de la figure J21 ci-dessous montre la quantité et le type de parafoudre à mettre en place sur la base des deux facteurs définis ci-dessus.

3.4 Sélection d'un SPD de type 1

3.4.1 Courant impulsionnel I_lutin

• En l'absence de réglementation nationale ou de réglementation spécifique pour le type de bâtiment à protéger, le courant d'impulsion I_lutin doit être d'au moins 12.5 kA (onde 10/350 μs) par branche conformément à la CEI 60364-5-534.

• Là où des réglementations existent: la norme 62305-2 définit 4 niveaux: I, II, III et IV, Le tableau de la Figure J31 montre les différents niveaux de I_lutin dans le cas réglementaire.

3.4.2 Autoextinguish suit le courant I_fi

Cette caractéristique s'applique uniquement aux parafoudres avec technologie d'éclateur. L'auto-extinction suit le courant I_fi doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé I_sc au point d'installation.

3.5 Sélection d'un SPD de type 2

3.5.1 Courant de décharge maximal I_max

Le courant de décharge maximal Imax est défini en fonction du niveau d'exposition estimé par rapport à l'emplacement du bâtiment.

La valeur du courant de décharge maximal (I_max) est déterminée par une analyse des risques (voir le tableau de la figure J32).

3.6 Sélection du dispositif externe de protection contre les courts-circuits (SCPD)

Les dispositifs de protection (thermique et court-circuit) doivent être coordonnés avec le SPD pour assurer un fonctionnement fiable, c'est-à-dire

• assurer la continuité de service:

- résister aux ondes de courant de foudre;

- ne pas générer une tension résiduelle excessive.

• assurer une protection efficace contre tous les types de surintensité:

- surcharge suite à l'emballement thermique de la varistance;

- court-circuit de faible intensité (impédant);

- court-circuit de haute intensité.

3.6.1 Risques à éviter en fin de vie des DOCUP

• En raison du vieillissement

En cas de fin de vie naturelle due au vieillissement, la protection est de type thermique. Le SPD avec varistances doit avoir un sectionneur interne qui désactive le SPD.

Remarque: La fin de vie par emballement thermique ne concerne pas le SPD avec tube à décharge ou éclateur encapsulé.

• En raison d'un défaut

Les causes de la fin de vie due à un défaut de court-circuit sont:

- Capacité de décharge maximale dépassée.

Ce défaut entraîne un fort court-circuit.

- Un défaut dû au réseau de distribution (commutation neutre / phase, neutre

coupure).

- Dégradation progressive de la varistance.

Les deux derniers défauts entraînent un court-circuit impédant.

L'installation doit être protégée des dommages résultant de ces types de défauts: le sectionneur interne (thermique) défini ci-dessus n'a pas le temps de se réchauffer, donc de fonctionner.

Un dispositif spécial appelé «dispositif externe de protection contre les courts-circuits (SCPD externe)», capable d'éliminer le court-circuit doit être installé. Il peut être mis en œuvre par un disjoncteur ou un dispositif fusible.

3.6.2 Caractéristiques du SCPD externe (dispositif de protection contre les courts-circuits)

Le SCPD externe doit être coordonné avec le SPD. Il est conçu pour répondre aux deux contraintes suivantes:

Tenue au courant de foudre

La tenue au courant de foudre est une caractéristique essentielle du dispositif externe de protection contre les courts-circuits du SPD.

Le SCPD externe ne doit pas déclencher sur 15 courants d'impulsion successifs à I_n.

Tenue au courant de court-circuit

• Le pouvoir de coupure est déterminé par les règles d'installation (norme CEI 60364):

Le SCPD externe doit avoir un pouvoir de coupure égal ou supérieur au courant de court-circuit présumé Isc au point d'installation (conformément à la norme CEI 60364).

• Protection de l'installation contre les courts-circuits

En particulier, le court-circuit impédant dissipe beaucoup d'énergie et doit être éliminé très rapidement pour éviter d'endommager l'installation et le SPD.

La bonne association entre un SPD et son SCPD externe doit être donnée par le fabricant.

3.6.3 Mode d'installation pour le SCPD externe

• Appareil "en série"

Le SCPD est décrit comme «en série» (voir Fig. J33) lorsque la protection est réalisée par le dispositif de protection générale du réseau à protéger (par exemple, disjoncteur de connexion en amont d'une installation).

• Appareil «en parallèle»

Le SCPD est décrit comme «en parallèle» (voir Fig. J34) lorsque la protection est réalisée spécifiquement par un dispositif de protection associé au SPD.

• Le SCPD externe est appelé «disjoncteur de déconnexion» si la fonction est assurée par un disjoncteur.
• Le disjoncteur de déconnexion peut ou non être intégré au SPD.

Remarque: Dans le cas d'un SPD avec tube à décharge ou éclateur encapsulé, le SCPD permet de couper le courant immédiatement après utilisation.

Remarque: les dispositifs différentiels de type S conformes aux normes CEI 61008 ou CEI 61009-1 sont conformes à cette exigence.

3.7.1 Coordination avec les dispositifs de protection en amont

Coordination avec les dispositifs de protection contre les surintensités

Dans une installation électrique, le SCPD externe est un appareil identique à l'appareil de protection: il permet d'appliquer des techniques de sélectivité et de cascade pour l'optimisation technique et économique du plan de protection.

Coordination avec les dispositifs à courant résiduel

Si le SPD est installé en aval d'un dispositif de protection differentielle, celui-ci doit être de type «si» ou sélectif avec une immunité aux courants impulsionnels d'au moins 3 kA (onde de courant 8/20 μs).

4 Installation des SPD

Les connexions d'un SPD aux charges doivent être aussi courtes que possible afin de réduire la valeur du niveau de protection en tension (installé Up) sur les bornes de l'équipement protégé. La longueur totale des connexions SPD au réseau et au bornier de terre ne doit pas dépasser 50 cm.

4.1 Connexion

L'une des caractéristiques essentielles pour la protection des équipements est le niveau maximal de protection en tension (U installé_p) que l'équipement peut supporter à ses bornes. En conséquence, un SPD doit être choisi avec un niveau de protection de tension U_p adapté à la protection de l'équipement (voir Fig. J38). La longueur totale des conducteurs de connexion est

L = L1 + L2 + L3.

Pour les courants haute fréquence, l'impédance par unité de longueur de cette connexion est d'environ 1 μH / m.

Par conséquent, en appliquant la loi de Lenz à cette connexion: ∆U = L di / dt

L'onde de courant normalisée 8/20 μs, avec une amplitude de courant de 8 kA, crée ainsi une élévation de tension de 1000 V par mètre de câble.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8x10^-6 = 1000 V

En conséquence, la tension aux bornes de l'équipement, installée Up, est:

installé U_p =U_p + U1 + U2

Si L1 + L2 + L3 = 50 cm et que l'onde est de 8/20 μs avec une amplitude de 8 kA, la tension aux bornes de l'équipement sera U_p + 500V.

4.1.1 Connexion dans le boîtier en plastique

La Figure J39a ci-dessous montre comment connecter un SPD dans le boîtier en plastique.

4.1.2 Connexion dans le boîtier métallique

Dans le cas d'un ensemble d'appareillage dans une enceinte métallique, il peut être judicieux de connecter le SPD directement à l'enceinte métallique, l'enceinte étant utilisée comme conducteur de protection (voir Fig. J39b).

Cette disposition est conforme à la norme CEI 61439-2 et le fabricant de l'ENSEMBLE doit s'assurer que les caractéristiques de l'enveloppe rendent cette utilisation possible.

4.1.3 Section transversale du conducteur

La section minimale recommandée des conducteurs prend en compte:

• Le service normal à assurer: Flux de l'onde de courant de foudre sous une chute de tension maximale (règle des 50 cm).

Remarque: contrairement aux applications à 50 Hz, le phénomène de foudre étant à haute fréquence, l'augmentation de la section du conducteur ne réduit pas fortement son impédance haute fréquence.

• Tenue des conducteurs aux courants de court-circuit: Le conducteur doit résister à un courant de court-circuit pendant le temps de coupure maximal du système de protection.

La CEI 60364 recommande à l'entrée de l'installation une section minimale de:

- 4 mm² (Cu) pour le raccordement du SPD de type 2;

- 16 mm² (Cu) pour le raccordement d'un SPD de type 1 (présence d'un système de protection contre la foudre).

4.2 Règles de câblage

• Règle 1: La première règle à respecter est que la longueur des connexions SPD entre le réseau (via le SCPD externe) et le bornier de mise à la terre ne doit pas dépasser 50 cm.

La Figure J40 montre les deux possibilités de connexion d'un SPD.

• Règle 2: Les conducteurs des départs protégés:

- doit être connecté aux bornes du SCPD externe ou du SPD;

- doivent être séparés physiquement des conducteurs entrants pollués.

Ils sont situés à droite des bornes du SPD et du SCPD (voir Fig. J41).

• Règle 3: Les conducteurs de phase d'arrivée, de neutre et de protection (PE) doivent passer l'un à côté de l'autre afin de réduire la surface de la boucle (voir Fig. J42).
• Règle 4: Les conducteurs entrants du SPD doivent être éloignés des conducteurs sortants protégés pour éviter de les polluer par couplage (voir Fig. J42).
• Règle 5: Les câbles doivent être épinglés contre les parties métalliques de l'enceinte (le cas échéant) afin de minimiser la surface de la boucle du cadre et donc de bénéficier d'un effet de blindage contre les perturbations EM.

Dans tous les cas, il faut vérifier que les châssis des tableaux et armoires sont mis à la terre via des connexions très courtes.

Enfin, si des câbles blindés sont utilisés, les grandes longueurs doivent être évitées, car elles réduisent l'efficacité du blindage (voir Fig. J42).

Application 5

5.1 Exemples d'installation

Solutions et schéma de principe

• Le guide de sélection des parafoudres a permis de déterminer la valeur précise du parafoudre à l'entrée de l'installation et celle du disjoncteur de déconnexion associé.
• Comme les appareils sensibles (U_p <1.5 kV) sont situés à plus de 30 m du dispositif de protection d'arrivée, les parafoudres à protection fine doivent être installés au plus près des charges.
• Pour assurer une meilleure continuité de service des chambres froides:

- Des disjoncteurs différentiels de type «si» seront utilisés pour éviter les déclenchements intempestifs provoqués par l'élévation du potentiel de terre lors du passage de l'onde de foudre.

• Pour la protection contre les surtensions atmosphériques:

- installer un parafoudre dans le tableau principal

- installer un parafoudre à protection fine dans chaque tableau (1 et 2) alimentant les appareils sensibles situés à plus de 30 m du parafoudre entrant

- installer un parafoudre sur le réseau de télécommunications pour protéger les appareils fournis, par exemple les alarmes incendie, les modems, les téléphones, les fax.

Recommandations de câblage

- Assurer l'équipotentialité des terminaisons de terre du bâtiment.

- Réduisez les zones de câble d'alimentation en boucle.

Recommandations d'installation

• Installez un parafoudre, Imax = 40 kA (8/20 μs) et un disjoncteur de déconnexion iC60 évalué à 20 A.
• Installer des parafoudres à protection fine, Imax = 8 kA (8/20 μs) et les disjoncteurs de déconnexion iC60 associés d'une valeur nominale de 20.